空氣源熱泵熱水機組全年綜合能效評定

  隨著(zhù)我國國民生活水平的提高及工業(yè)現代化的發(fā)展，家用、商用及工業(yè)用熱水需求量也越來(lái)越大，與此同時(shí)，由于熱泵熱水機組與傳統的熱水器(電熱水器，燃氣熱水器，太陽(yáng)能熱水器)相比，具有節能、保、安全、不受建筑結構、氣候條件限制等特點(diǎn)，已顯出強有力的市場(chǎng)潛力[1]。但同時(shí)也應注意到，除了技術(shù)和價(jià)格方面的因素外，從生產(chǎn)制造、質(zhì)量檢驗到評價(jià)標準都沒(méi)有統一的規范，長(cháng)期以來(lái)困擾著(zhù)國內熱泵熱水市場(chǎng)的發(fā)展。2008年國家標準GB/T 21362-2008《商業(yè)或工業(yè)用及類(lèi)似用途的熱泵熱水機組》[2](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《標準》)的出臺，毫無(wú)疑問(wèn)給目前的熱泵熱水市場(chǎng)帶來(lái)了福音：

 

  不僅有利于規范熱泵熱水器市場(chǎng)，引導生產(chǎn)企業(yè)之間的良性競爭；同時(shí)又能推動(dòng)熱泵熱水技術(shù)的不斷發(fā)展完善。

 

  目前國內采用機組名義工況(nominal workingconditions)能效比來(lái)衡量機組節能性能，因此，名義工況的確定也是此次《標準》制定的難點(diǎn)及關(guān)鍵。

 

  然而，必須注意到，名義工況下的COP并不能準確地體現機組實(shí)際運行過(guò)程中的節能效果，以空調產(chǎn)品為例，為了更合理的評價(jià)空調能效，美國的ARI210/240-2003標準[4]和日本的JRA 4046標準[5]均采用季節能效比來(lái)評價(jià)空調的節能性能。

 

  另一方面，空氣源熱泵熱水機組具有運行工況范圍寬、常年制熱以及冷凝溫度時(shí)變等特點(diǎn)，再考慮到我國不同地區氣候差異大和用戶(hù)不同的用水習慣，相對于空調器而言，單純的依據名義工況下的能效指標就更加難以對空氣源熱泵熱水機組的實(shí)際運行性能做出客觀(guān)評價(jià)。

 

  《標準》將空氣源熱泵熱水機組分為普通型和低溫型，其中普通型機組名義工況干濕球溫度分別規定為20℃和15℃。下面將主要以普通型循??加熱式空氣源熱泵熱水機組為例，對其在不同條件下的節能效果進(jìn)行分析討論，如無(wú)特別說(shuō)明，空氣源熱泵熱水機組均指普通型循??加熱式空氣源熱泵熱水機組。

 

  1 上海及廣州地區空氣源熱泵熱水機

 

  組實(shí)際運行工況分析

 

  空氣源熱泵熱水機組主要分布于我國長(cháng)江流域和華南地區，這里以上海和廣州地區為例，通過(guò)理論結合實(shí)際，引入全年綜合運行工況來(lái)對空氣源熱泵熱水機組的能耗比進(jìn)行評定。

 

  1.1 上海及廣州地區氣候條件

 

  空氣源熱泵機組的運行工況主要取決于室外干濕球溫度、初始加熱水溫和目標水溫。以下計算均假設每次加熱過(guò)程都是從水箱補水溫度一直持續加熱到目標水溫度，這樣初始加熱水溫就為水箱補水溫度，目標水溫根據《標準》規定為55℃。

 

  圖1為上海及廣州地區室外月平均干球溫度和水箱補水溫度，其中室外月平均干球溫度數據來(lái)源于由中國氣象局統計發(fā)布的(1971-2000年)氣候標準值，水箱補水溫度為室外干球溫度的函數，根據經(jīng)驗值擬合得出，擬合公式如下：

 

  t0 = -0.0005ta2 + 0.51ta + 5.6 (1)其中，ta為室外????溫度，t0為在????溫度ta下的水箱補水溫度，受水管長(cháng)度和保溫情況等方面的影響，t0會(huì )略微有所差異。

 

  1.2 全年不同工況下機組的COP計算比較相對于空調系統來(lái)說(shuō)，空氣源熱泵熱水機組全年運行在制熱模式，蒸發(fā)溫度的變化范圍寬，而且即使在某一特定的????溫度下，隨著(zhù)水溫不斷升高，相應的冷凝壓力也會(huì )隨之升高，因此是一個(gè)復雜的變工況過(guò)程。為了更加合理的評價(jià)空氣源熱泵熱水機組全年運行的性能指標，G. L. Morrison[6]等人針對以上特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗結合計算擬合出熱泵熱水機組季節性COP的經(jīng)驗公式：

 

  COP = [a1+a2 (Tt - Ta)[1-a3 (Ta - Tw)/(Ta - Td )]

 

  (2)其中，Tt、Ta、Tw和Td分別為水溫、溫度、濕球溫度以及露點(diǎn)溫度。為了便于計算，取初始水溫和終了水溫的平均值作為水溫標準值作為T(mén)t，并把上海和廣州地區的氣象參數帶入上式，得到這兩個(gè)地區空氣源熱泵熱水機組逐月COP曲線(xiàn)，如圖2所示?？梢钥闯?，一臺標準的空氣源熱泵熱水機組1月份、7月份、10月份，在上海地區運行的COP為2.49、4.26、3.67，而在廣州地區運行的COP為3.15、4.32、3.96，雖然不同機組之間會(huì )有所差異，但其變化規律大致相同。

 

  圖2 上海及廣州地區空氣源熱泵熱水機組逐月COP曲線(xiàn)Fig.2 Monthly average COP curve of ASHPWH in Shanghaiand Guangzhou為了驗證通過(guò)經(jīng)驗公式(2)計算出的能效比變化規律的通用性，下面以上海地區為例，用理想條件下計算出來(lái)的機組能效比來(lái)對它進(jìn)行校核。取初始水溫和目標水溫的平均值作為標準水溫，假定運行過(guò)程中冷凝溫度始終比水溫高7℃，蒸發(fā)溫度始終比室外干球溫度低15℃，按照卡諾循??下COP的計算公式(3)，得出：

 

  COPideal = / ( - Te ) (3)

 

  COPideal為理想情況下的機組運行能效比， 為與標準水溫相對應的冷凝溫度，Te 為蒸發(fā)溫度。

 

  將上海地區每月的氣象參數帶入公式(2)和(3)，分別計算出上海地區的機組第i月份的經(jīng)驗能效比COPi 和第i月份的理想能效比COPideal,i 以及它們的比值 λi ，λi 為：

 

  λi = COPi / COPideal,i (4)

 

  表1為上海地區，通過(guò)公式(2)、(3)、(4)計算出的空氣源熱泵熱水機組的COPi，COPideal,i 以及它們的比值λi?？梢钥闯鰴C組λi的值基本相同(最大最小值的偏差在10%以?xún)?，夏季λi值比冬季略高，這是由于經(jīng)驗公式中還考慮到了室外相對濕度對機組能效的影響[6]。因此，經(jīng)過(guò)理論驗證，經(jīng)驗公式(2)計算出的COP能夠較為準確地反映出空氣源熱泵熱水機組在不同????溫度下的實(shí)際運行能效比的變化規律，具有代表性。

 

  根據文獻[6]，在不同工況下空氣源熱泵熱水

 

  機組壓縮機的平均功率擬合公式如下：

 

  P = b1+b2 (Tt -Ta)+b3(Ta-Td)+b4(Ta-Td)2 (5)同理，取初始水溫和終了水溫的平均值作為水溫標準值代入Tt ，并將上海及廣州地區氣象參數代入上式，可以求出這兩個(gè)地區的空氣源熱泵熱水機組每月壓縮機平均功耗的相對值(以名義工況室外干濕球溫度20℃/15℃，水箱補水溫度15℃作為基準點(diǎn))，如圖3所示?？梢钥闯霾煌????溫度下空氣源熱泵熱水機組壓縮機的平均功率夏季比冬季略高，但相差不大。